基于溫升試驗對低壓成套設(shè)備控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

張業(yè)真

摘要：文中介紹了低壓成套開關(guān)設(shè)備控制柜中固定式與抽出式常見的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式與布局設(shè)計。通過改變開關(guān)額定分散系數(shù)進行溫升測試結(jié)果對比，分析兩種柜型在內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局設(shè)計中存在的不合理之處，以及在實際使用過程中存在的安全隱患，并提出一些能夠改進控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案與措施，以便能夠更好地滿足溫升測試要求，降低存在的風(fēng)險，提高設(shè)備安全性能。

關(guān)鍵詞：控制柜；結(jié)構(gòu)設(shè)計；溫升測試；額定分散系數(shù)

Discussion on Structural Design of Control Cabinet of Low-Voltage Complete Equipment Based on Temperature Rise Test

ZHANG Yezhen

（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou? 350002， Fujian， China）

Abstract： This paper introduces the common internal structure and layout design of the fixed type and the pull-out type in the low-voltage switchgear assembly control cabinet. By changing the rated dispersion coefficient of the switch， the temperature rise test results were compared to analyze the unreasonable place in the internal structure layout design of the two cabinet types， as well as the hidden danger in the process. And some schemes and measures were put forward to improve the structural design of control cabinet so as to better meet the requirements of temperature rise test， reduce existing risks and improve device safety performance.

Key Words：? Control cabinet; Structural design; Temperature rise test; Rated dispersion coefficient

0 引言

低壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)計的合理性直接決定著電氣元件的使用性能，影響電力系統(tǒng)的運行情況[1]。目前，常見低壓成套開關(guān)設(shè)備是由進線柜、饋電柜、控制柜三個不同功能柜型組合在一起。而現(xiàn)階段低壓開關(guān)柜中控制柜的具體結(jié)構(gòu)類型包括固定式與抽出式[2]。其內(nèi)部開關(guān)元器件大多由塑料外殼式斷路器、接觸器、熱過載繼電器組合而成。

在這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計模式中，控制柜可由多個相互獨立的出線回路構(gòu)成，回路采用豎向排列組合形式。在豎向排列組合中，從上至下每條出線回路內(nèi)部開關(guān)額定電流通常采用由小到大設(shè)計，且由于沒有明確、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支持，所以在產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程中，常常因母線選型不正確而導(dǎo)致事故發(fā)生[3]。因此，文中將通過目前控制柜常用的設(shè)計結(jié)構(gòu)，利用溫升測試數(shù)據(jù)分析其存在的問題與不足之處，并提出相應(yīng)的改善方案，提升控制柜的溫升性能與設(shè)備安全。

1? 固定式與抽出式結(jié)構(gòu)

1.1? 固定式結(jié)構(gòu)

固定式結(jié)構(gòu)是指將設(shè)備固定在特定位置，以提升低壓開關(guān)柜穩(wěn)定性，便于日后柜體拆裝，提升電氣元件維護工作開展的便利性[2]。它的外部操作機構(gòu)由合閘與分閘兩種位置，內(nèi)部開關(guān)通過一個基座將塑殼斷路器安裝在開關(guān)基座上。開關(guān)進線端通過導(dǎo)線或銅排與母排相連。其中外觀與內(nèi)部設(shè)計見圖1。

1.2? 抽出式結(jié)構(gòu)

抽出式柜體具有可移動特性，有利于更換電器元件。它的外部操作機構(gòu)具有連接、分離、試驗三個操作位置，整個功能單元可以抽出更換。抽屜內(nèi)開關(guān)進線端通過導(dǎo)線或銅排與一次接插件一端相連，接插件另一端直接插入母排，形成緊密聯(lián)合。其中外觀與內(nèi)部設(shè)計見圖2。

2 標準中溫升試驗要求

在標準GB 7251.1-2013中附錄E額定分散系數(shù)條規(guī)定：實際上，通常并不要求成套設(shè)備內(nèi)的所有電路都能持續(xù)、同時承載額定電流。幾個電流可承擔(dān)重載，而其他電路則承擔(dān)輕載或斷開。因此，沒有必要配備一個所有電路能在額定電流下連續(xù)運行的成套設(shè)備，這樣將造成材料和資源的低效率利用[4]。

目前，大部分低壓成套開關(guān)設(shè)備在溫升試驗中，都是通過制造商指定額定分散系數(shù)分配所有出線電路或一組出線電路額定電流值。額定分散系數(shù)適用于在額定電流（InA）下運行的成套設(shè)備[4]。因而，開關(guān)柜所有出線電路溫升試驗電流通常采用降電流測試。例如，開關(guān)額定電流（In）為250A，實際溫升試驗電流（InA）可能降為200A。

在標準GB 7251.1-2013中10.10.2.3.5～10.10.2.3.7條款中給出了三種試驗方法，它們所需的試驗次數(shù)和試驗結(jié)果應(yīng)用范圍的區(qū)別，在標準中已給出了詳細解釋。而文中采用的溫升試驗方法條款為10.10.2.3.5條：整個成套設(shè)備的驗證。成套設(shè)備的進、出電路應(yīng)通以額定電流，即等效額定分散系數(shù)等于1[4]。溫升試驗電流外接導(dǎo)線按標準表11、表12中要求。

3? 溫升試驗驗證

本次溫升試驗將采用兩臺單獨的控制柜進行溫升試驗測試。柜型結(jié)構(gòu)分別為固定式與抽屜式。其中，固定式開關(guān)柜由5條出線電路組成，抽出式開關(guān)柜由6條出線電路組成。

3.1? 固定式開關(guān)柜溫升試驗

固定式開關(guān)柜內(nèi)部開關(guān)為塑料外殼式斷路器，開關(guān)額定電流分別為C1回路：160A，C2和C3回路：250A，C4和C5回路：400A。溫升測試布置圖見圖3。

圖中a1～a10為溫升熱電偶布置點代號。溫升試驗通過兩種方式測試。第一種，溫升試驗電流通以制造商規(guī)定的額定分散系數(shù)為1時的額定電流；第二種，溫升試驗電流通以斷路器銘牌標稱的額定電流。

（1）各回路通以制造商規(guī)定額定分散系數(shù)為1時的額定電流

第一種溫升試驗電流以制造商規(guī)定的額定電流（InA）進行，額定分散系數(shù)為1。溫升試驗方案采用a方式，每條出線電路開關(guān)均降電流通電。溫升實際試驗電流與溫升值如表1所示。

（2）各回路通以斷路器銘牌標稱的額定電流

第二種溫升試驗電流不考慮額定分散系數(shù)要求，每條回路都通以斷路器銘牌標稱的額定電流。溫升試驗電流與溫升值如表2所示。

3.2? 抽出式溫升試驗

抽出式溫升試驗出線電路由C1～C6六條出線電路組成。其中，C1和C2回路是1/2柜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開關(guān)型號等都是相同的。溫升試驗電流由制造商規(guī)定，額定分散系數(shù)為1，溫升試驗方案采用a方式。溫升測試布置圖見圖4，溫升試驗電流與溫升值見表3。由于C1和C2回路相同，故C2回路溫升未測試。

同樣以一臺結(jié)構(gòu)為抽出式開關(guān)柜，開關(guān)額定電流從大到小排列組合進行溫升測試。其溫升測試布置圖與溫升數(shù)據(jù)分別見圖5和表4。

4 溫升結(jié)果分析

結(jié)合以上溫升測試結(jié)果分析，兩種柜型在設(shè)計上存在以下問題：

（1）當(dāng)控制柜出線電路采用從上至下豎列組合，開關(guān)額定電流依次從小到大布局設(shè)計時，母排連接處或一次接插件連接處的溫升呈現(xiàn)出由高到低走勢，額定電流越小部位溫升反而越高。而采用圖5結(jié)構(gòu)時，其接插件溫升有明顯改善。

造成此原因是由于最上層出線電路開關(guān)額定電流小，其連接的導(dǎo)線、銅排、接插件載流量面積也更小。當(dāng)導(dǎo)體通過電流時，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量一部分使導(dǎo)體本身的溫度升高。依據(jù)圖6試驗電流方向可知，最上層C1回路a2點流過的電流等于I總的總電流。因而，此部位的母排連接處、一次接插件連接處承載的電流最大，導(dǎo)致其溫升比其它回路要高很多。其中，固定式開關(guān)柜母排連接處溫升變化曲線如圖7所示。

另外，當(dāng)采用電流從小到大豎向排列組合設(shè)計時，最底層回路試驗電流最大，產(chǎn)生的熱量相對也會更高。導(dǎo)致熱氣會從最底層向上層傳遞，使上層開關(guān)周圍空氣溫度升高。間接造成上層出線回路開關(guān)進出線端子溫升升高。

（2）在目前低壓成套開關(guān)設(shè)備溫升測試中，不論是標準還是制造商都允許通過額定分散系數(shù)降低開關(guān)額定電流進行溫升測試，以便能更好地通過溫升試驗。這種測試方案雖能滿足標準要求，但在實際使用過程中會影響開關(guān)自身動作特性保護功能。

從文中固定式開關(guān)柜進行的兩次溫升試驗測試結(jié)果可知，當(dāng)溫升試驗電流采用斷路器額定電流通電時，任何位置的溫升比采用額定分散系數(shù)為1時的溫升要高許多，甚至超過標準中70K溫升極限值。由于采用制造商規(guī)定的額定分散系數(shù)，通過降低開關(guān)額定電流進行溫升測試過程中，忽視了開關(guān)柜在實際使用過程中線路負載電流可能達到開關(guān)額定電流。那么，在這種情況下整個開關(guān)柜溫升將超過溫升極限值，長期運行將導(dǎo)致開關(guān)柜各個部件絕緣件性能降低、損壞等問題。

（3）開關(guān)柜中塑殼斷路器除了作為斷開、接通線路作用外，還具有線路發(fā)生過載、短路時起到脫扣保護作用。在標準GBT 14048.2中表6規(guī)定了反時限過電流斷開脫扣器在基準溫度下的斷開動作特性[5]，如表5所示。依據(jù)反時限動作曲線，負載電流越大，脫扣時間越快。

以固定式開關(guān)柜溫升試驗電流參數(shù)為例，如表6所示。

在表6電流參數(shù)中，使用額定分散系數(shù)降電流進行溫升試驗時，開關(guān)額定電流與溫升試驗電流相差近1.22倍。結(jié)合表5中要求，當(dāng)線路過載電流達到表7中1.3In電流時，采用額定分散系數(shù)分配試驗電流，斷路器未達到約定脫扣電流，無法對整個線路起到過載保護作用。

5? 設(shè)計改善方案

通過上文溫升測試與結(jié)果分析，文中根據(jù)實際試驗情況，對控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計提出以下幾點改善方案：

1）將固定式、抽出式控制柜出線電路從上至下豎向排列方式中，開關(guān)額定電流由從小到大組合，改為從大到小排列組合。通過這種設(shè)計方式可以使出線電路中小電流回路母排連接處或一次接插件承載更小的負載電流。同時也能有效降低由底層大電流產(chǎn)生的熱量從下往上傳導(dǎo)帶來的影響。

2）由于控制柜每個出線電路都是相互獨立且內(nèi)部空間狹小，極易造成通風(fēng)與散熱性能下降，導(dǎo)致回路內(nèi)部熱量積聚無法更好地散熱。因此，除了可以通過加裝風(fēng)扇等散熱措施降低每個出線電路內(nèi)部空氣溫度外，還可以通過增加導(dǎo)線、銅排、一次回路接插件截面積，使其能夠承載更大的電流，以此減少導(dǎo)線、銅排產(chǎn)生的熱量。

在標準GB 7251.1-2013中表11、表12規(guī)定了用于額定電流使用的試驗導(dǎo)線最低要求值，以及在參考文獻[6]中給出了低壓成套設(shè)備（100～630）A額定電流對應(yīng)的導(dǎo)線或銅排截面積尺寸選擇參考值，如表8所示。

3）標準GB 7251.12中雖規(guī)定了允許在進行溫升試驗時，可以通過額定分散系數(shù)降低每條出線電路額定電流進行試驗。但同時也規(guī)定了其他兩種試驗方案，其中一種方案就是每個功能單元應(yīng)當(dāng)承載其自身的最大額定電流。因此，在進行低壓成套設(shè)備控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以結(jié)合1）、2）兩點合理應(yīng)用與設(shè)計，在輔以風(fēng)扇等散熱措施，以此降低每個測試點溫升，并保證與導(dǎo)體相連接的電器能正常工作，尤其是具有熱過載保護特性的電器元件保護動作正確[9]。使控制柜每個功能單元中使用到的開關(guān)能夠滿足其自身的保護動作性能，保障設(shè)備與人身安全。

6 結(jié)論

通過合理改變控制柜出線電路電流排列組合，以及增加開關(guān)進出線端與母排連接處的銅排、導(dǎo)線、一次接插件載流截面積，在測試過程中對降低溫升有較明顯的積極作用。

參考文獻

[1]王冬艷.低壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計對電氣性能的影響[J].大眾標準化，2020（10）79-80.

[2]楊永久.低壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計對電氣性能的影響[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（02）：73-74.

[3]王策，張磊.一起電容器起火事故分析及防范措施[J].電氣技術(shù)，2015，16（2）：126-128.

[4]全國低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準化技術(shù)委員會.低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則：GB/T 7251.1-2013.[S].北京：中國標準出版社，2014：2.

[5]全國低壓電器標準化技術(shù)委員會.低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2 部分：斷路器：GB/T 14048.2-2020.[S].北京：中國標準出版社，2020：9.

[6]陳秀英.低壓成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)部母線的選擇與安裝及電氣連接[J].電工電氣，2012（03）：36-40.